基于ANSYS Workbench 的水輪發(fā)電機碳刷刷握振動特性分析

聶云鋒

（三峽大學(xué)機械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

水輪發(fā)電機碳刷/集電環(huán)主要用于傳導(dǎo)勵磁電流為轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁所需磁場。碳刷與集電環(huán)相對滑動時，由于轉(zhuǎn)子在制造與安裝時其重心與旋轉(zhuǎn)中心存在一定的偏心距，所以轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時會存在偏心擺振，刷握在此偏心擺振的影響下會產(chǎn)生振動和變形，影響碳刷與集電環(huán)接觸的穩(wěn)定性，進而會導(dǎo)致碳刷磨損加劇、打火等問題，大大降低了碳刷與集電環(huán)的使用壽命。因此對碳刷刷握進行振動特性的分析是有必要的。

在國內(nèi)外的研究中，涉及水輪發(fā)電機碳刷刷握的相關(guān)研究很少。文獻[1～2]對水輪發(fā)電機碳刷/集電環(huán)常見故障進行了分析，發(fā)現(xiàn)碳刷打火現(xiàn)象的發(fā)生，部分原因是由于碳刷壓力不均，與集電環(huán)接觸不穩(wěn)定、振動加劇而導(dǎo)致的接觸面局部溫升造成的，而刷握的振動會導(dǎo)致恒壓彈簧局部失效，出現(xiàn)碳刷壓力不均勻的現(xiàn)象。

基于此，本研究利用有限元分析的方法對刷握的振動特性進行了研究。對其進行了模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析，得到了前六階模態(tài)頻率與振型和應(yīng)力、應(yīng)變—頻率曲線。為水輪發(fā)電機碳刷刷握的設(shè)計與優(yōu)化提供了理論參考。

1 刷握結(jié)構(gòu)與工作原理

水輪發(fā)電機碳刷刷握由刷盒和恒壓彈簧兩部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。恒壓彈簧由薄的彈簧鋼片卷曲成多個同心圓組成，通過鉚接安裝在刷盒的一端，用來為碳刷提供穩(wěn)定的壓力。刷盒采用壓鑄工藝制成，其材料為鋁合金，經(jīng)測量其內(nèi)腔尺寸為35 mm×38 mm×50 mm（長×寬×高）。碳刷采用間隙配合安裝在刷盒里，二者之間的間隙要適宜，間隙過小，阻礙了碳刷在刷盒內(nèi)運動的靈活性，可能會導(dǎo)致碳刷出現(xiàn)卡塞、折斷的現(xiàn)象；間隙過大，碳刷在刷盒內(nèi)出現(xiàn)松動，會導(dǎo)致振動加劇[3]。經(jīng)查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，碳刷與刷盒之間的間隙最佳為0.1 mm。碳刷一端通過恒壓彈簧提供壓力保持與集電環(huán)的穩(wěn)定接觸。恒壓彈簧的壓力應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，壓力過大或過小都會影響碳刷與集電環(huán)的接觸穩(wěn)定性[4]，加速碳刷的磨損。

圖1 刷握結(jié)構(gòu)

2 刷握有限元分析

2.1 模型的建立和網(wǎng)格的劃分

利用UG10.0 軟件建立刷握三維模型，忽略各邊倒角。然后將三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 軟件中進行有限元分析。刷握材料與相關(guān)參數(shù)見表1。采用四面體網(wǎng)格劃分方法對刷握進行網(wǎng)格的劃分，劃分網(wǎng)格后產(chǎn)生45 004 個單元和78 273 個節(jié)點。

表1 刷握材料參數(shù)

2.2 約束和載荷的施加

刷握是固定安裝在水輪發(fā)電機機架上的，故在刷握底端施加固定約束。碳刷通過恒壓彈簧的壓力保持與集電環(huán)的穩(wěn)定接觸，由于恒壓彈簧是安裝在刷盒上的，故刷盒會受到一個恒壓彈簧的反作用力，作用點在刷盒頂端卡口處。

水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子在偏心旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生偏心振擺，在碳刷接觸面會存在偏心振擺力，此力經(jīng)過恒壓彈簧最終作用在刷握上，以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周為周期按正弦規(guī)律變化，在此周期性變化載荷的影響下，刷握會產(chǎn)生一定的動態(tài)響應(yīng)，故在刷握受力面施加F=Asinωt的正弦激振力。振幅A的大小根據(jù)恒壓彈簧剛度K和偏心距e計算得到，如式（1）所示。

2.3 刷握模態(tài)分析

利用ANSYS Workbench 軟件對刷握進行約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，得到了刷握前6 階模態(tài)頻率與振型，見表2。

表2 約束狀態(tài)下刷握前6 階模態(tài)頻率與振型

由表2 可知，刷握固有頻率最低階頻率為360.81 Hz，最高階頻率為2 462.90 Hz，容易出現(xiàn)振動的部位主要集中在刷盒頂部和端面及兩側(cè)面。

由圖2 可知，刷握主要應(yīng)力集中在刷盒與下支撐件的連接處，此處應(yīng)力值為。

圖2 刷握應(yīng)力分布云圖

2.4 刷握諧響應(yīng)分析

在水輪發(fā)電機組運行的過程中，在轉(zhuǎn)子周期性振擺力的作用下，刷握會產(chǎn)生一定的動態(tài)響應(yīng)，當(dāng)刷握的固有頻率與轉(zhuǎn)子振擺力頻率相近或相同時，二者就會產(chǎn)生共振，極大地影響碳刷/集電環(huán)的摩擦磨損特性。

根據(jù)刷握前六階模態(tài)頻率范圍，取諧響應(yīng)分析頻率范圍為01600，取32 個頻率點結(jié)果，輸入Solution Intervals 為32，分析得到刷握諧響應(yīng)分析結(jié)果如圖2 所示。

從圖3 可以看出應(yīng)力響應(yīng)和應(yīng)變響應(yīng)在頻率450 Hz 附近響應(yīng)點出現(xiàn)顯著變化。由此可見，在頻率為450 Hz附近時，結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)共振的現(xiàn)象，其中在頻率為450 Hz附近變化更明顯。在頻率450 Hz 附近刷握應(yīng)力分布云圖如圖4 所示，由圖可知，在頻率450 Hz 時刷握最大應(yīng)力分別為2.640。說明如果結(jié)構(gòu)在此頻率下發(fā)生共振則會產(chǎn)生較大的應(yīng)力與變形，對刷握結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的破壞，對碳刷/集電環(huán)運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大地影響。

圖3 諧響應(yīng)分析結(jié)果圖

圖4 頻率450 應(yīng)力分布云圖

當(dāng)刷握出現(xiàn)振動時，會導(dǎo)致碳刷在集電環(huán)環(huán)面產(chǎn)生振動[5]，當(dāng)系統(tǒng)長期周期性運行時，由于振動的產(chǎn)生會導(dǎo)致恒壓彈簧出現(xiàn)疲勞斷裂失效，進而出現(xiàn)壓力不足，導(dǎo)致碳刷與集電環(huán)接觸不穩(wěn)定、產(chǎn)生碰撞，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的打火事故。

3 結(jié)論

（1）通過對刷握進行模態(tài)分析，得到了刷握前六階的模態(tài)頻率與振型，發(fā)現(xiàn)刷握最薄弱的部位出現(xiàn)在刷盒與下支撐件的連接處，此處應(yīng)力比較集中，所以在設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)加強此位置的強度。

（2）通過對刷握進行諧響應(yīng)分析，得到了刷握應(yīng)力、應(yīng)變—頻率曲線，發(fā)現(xiàn)在頻率450 Hz 附近應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)變化明顯，與刷握第二階模態(tài)固有頻率474.05 Hz比較接近，由此說明該階模態(tài)對刷握結(jié)構(gòu)的振動影響較大，容易出現(xiàn)共振的現(xiàn)象，在實際工作中應(yīng)盡量避免該頻率段。